抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法及应用

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，涉及一种多层膜保护层的制备，尤其是涉及一种抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法及应用。

背景技术

在极紫外、软X射线以及X射线波段，多层膜在正入射情况下都能提供非常好的反射率，这让多层膜反射镜在太阳物理、等离子体诊断、光谱学及高分辨成像领域内得到了广泛的应用。在25-80纳米波段内，镁基多层膜，包括镁/碳化硅、镁/钴、镁/锆等，是理论上获得高反射率反射镜的主要结构。但镁材料非常活泼，环境中水汽和氧气的侵蚀会导致这类多层膜在实际应用中缺乏长期稳定性，暴露在大气中最快一天就会出现性能退化。在过去的研究中，人们尝试使用碳化硅作为该多层膜的保护层，但是发现其保护效果十分有限，环境中的水蒸气依然会导致多层膜效率的退化。R.Soufli等人于2012年提出一种表面铝镁混合层对镁/碳化硅多层膜进行抗侵蚀保护。该保护层是将镁膜和铝膜单独依次镀制于多层膜表面，形成两层膜结构；在镀制结束后，镁膜和铝膜的结晶程度会逐渐变弱，单独的两层膜会逐渐融合形成一层致密的无定形薄膜，最高可以将多层膜的长期稳定性提高到3年以上。

尽管这种保护层的抗侵蚀效果已经得到了验证，但是在实际的制备过程中，该保护层的融合过程非常慢，需要68天左右，在这两个多月的融合过程中要严格控制样品的储存环境，一旦储存不当，接触到水汽等，仍会导致镁极紫外多层膜反射性能下降。这对于快速使用或者实际应用而言是非常不便利的。因此，需要寻找一种能有效加速镁层和铝层之间融合过程的方法，快速形成抗侵蚀保护层。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备效率高的抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法，该方法包括以下步骤：

在基底上镀制极紫外多层膜；

保持极紫外多层膜的真空环境不变，进行镁靶材和铝靶材的预溅射；

将镀制有所述极紫外多层膜的基底重复交替运动到镁靶材和铝靶材的溅射区域，控制运动参数，完成镁膜层和铝膜层交替生长的铝/镁多层膜结构的镀制，形成铝镁混合保护层，所述铝/镁多层膜结构中，每层镁膜的厚度为1-3纳米，每层铝膜的厚度为1-3纳米；

将镀制完成的基底取出真空腔，放置于大气环境中自发融合。

进一步地，所述铝/镁多层膜结构中，由极紫外多层膜表面向上第一层为镁膜层，最后一层为铝膜层。

进一步地，所述铝/镁多层膜结构中，镁膜层的质量占一周期铝/镁膜层质量的36％-38％。

进一步地，所述铝/镁多层膜结构中，铝膜层和镁膜层交替设置的膜对数为5-25对。

进一步地，所述大气环境中，环境温度低于25℃，环境湿度低于20％RH。

进一步地，所述真空环境为腔内气压为0.1～0.3Pa并充入由高纯氩气作为工作气体的真空腔。

进一步地，所述极紫外多层膜由吸收层和间隔层周期交替组成，吸收层材料包括SiC、Co、Zr中的一种，间隔层材料为Mg。

进一步地，所述预溅射的时间为20-30分钟。

进一步地，所述运动参数包括停留时间或运动速度。

本发明还提供一种带有保护层的多层膜反射镜，所述保护层为通过如上所述的抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法制备获得的铝镁混合保护层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)根据铝镁二元金属体系扩散规律，减小单个铝镁膜层的厚度，使用超薄铝/镁多层结构作为保护层的镀制结构，能大幅加快两种材料的原子扩散速率和融合过程，使铝镁混合保护层的形成时间从传统的68天缩短到1天以内，极大提高了保护层的制备效率，降低了保护层形成过程中反射镜性能退化的风险。

(2)根据铝镁膜层的结晶特性，将膜层厚度减小至形成微晶颗粒的临界厚度，减小晶粒尺寸，增大晶粒边界区域，为原子扩散提供更多的路径。

(3)快速融合生成的铝镁保护层和传统制备方式得到的保护层都是通过自发相变过程得到的无定形混合层，在融合过程中保护层密度没有发生变化且致密性都很高，能有效隔绝水蒸气和氧气对极紫外多层膜的侵蚀，对极紫外多层膜的保护性能在和传统方法相当，能够保证其抗侵蚀效果。

(4)本发明对镁膜层的质量占一周期铝/镁膜层质量的比值进行设置，以保证融合后能够形成结构致密的保护层。

(5)根据铝镁膜层的结晶特性，将膜层厚度减小至形成微晶颗粒的临界厚度，减小晶粒尺寸，增大晶粒边界区域，为原子扩散提供更多的路径该发明与现有的薄膜制备工艺完全兼容，工艺重复性好，可控性强，在有效提高极紫外多层膜长期稳定性方面和相应光学系统领域有重要应用。

附图说明

图1为本发明的极紫外多层膜及铝镁保护层的结构示意图，其中，1为基底，2为极紫外多层膜，3为铝镁混合保护层；

图2为本发明方法制备的24对铝/镁多层结构镀制结束后不同时间间隔后的X射线小角反射测试(XRR)曲线；

图3为传统设计制备的铝镁保护层镀制结束后不同时间间隔后的XRR曲线；

图4为在镁/碳化硅多层膜反射镜表面利用本发明方法制备了铝镁混合保护膜之后，环境测试前后的XRR曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种抗环境侵蚀极紫外多层膜表面保护层快速制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在基底上镀制极紫外多层膜。

在直流磁控溅射镀膜真空腔内的样品架上放置超光滑基底，对真空腔进行抽真空，并充入高纯氩气作为工作气体。超光滑基底表面粗糙度小于0.3纳米，基底材料可以为单晶硅、熔融石英或微晶玻璃，调整镀膜真空腔的腔内气压为0.1～0.3Pa。

本实施例中，基底采用表面粗糙度为0.3纳米的硅，真空腔的腔内气压抽到9.0×10

开启直流磁控电源，在基底表面镀制极紫外多层膜。极紫外多层膜由吸收层和间隔层周期交替组成，吸收层材料包括SiC、Co、Zr中的一种，间隔层材料为Mg或Al，每层膜层的厚度为2-15纳米。

步骤2、不改变真空状态，开启直流磁控溅射电源，执行镁靶材和铝靶材的预溅射，预溅射的时间为20-30分钟。

步骤3、将放置有基底的样品架重复交替转到镁靶材和铝靶材上方的溅射区域，控制样品架的停留时间或运动速度，改变镁膜层和铝膜层的厚度，完成镁膜层和铝膜层交替生长的铝/镁多层膜结构的镀制，形成镁铝混合保护层，镀制过程中持续充入工作气体。铝/镁多层膜结构中，每层镁膜的厚度为1-3纳米，每层铝膜的厚度为1-3纳米。

该步骤直接在极紫外多层膜表面继续镀制保护层。

铝/镁多层结构中，由基底向上的第一层为镁膜层，最后一层为铝膜层，镁膜层的质量占一周期铝/镁膜层质量的36％-38％，铝膜层和镁膜层交替设置的膜对数为5-25对。膜对数按保护层对极紫外反射镜的反射率影响和环境稳定性要求综合考虑。

本实施例镀制的铝/镁多层结构中，为获得较高的环境稳定性，将铝膜层和镁膜层交替镀制的膜对数定为24对，镁膜层的厚度为2.37纳米，铝膜层的厚度为2.5纳米，是每个周期厚度相同的周期多层结构。此时，镁膜层的质量为一周期铝/镁膜层总质量的38％。

步骤4、将镀制完成的基底取出真空腔，放置于大气环境中自发融合，最终形成的结构如图1所示。大气环境中，环境温度低于25℃，环境湿度低于20％RH。融合时长依据表面保护层分层的结构而定，分层越薄越多，融合越快。整体大概在几个小时到1、2天。

利用X射线掠入射反射测试(XRR)对本实施例中的铝/镁多层膜结构进行测试监控，在距离镀制结束之后不同的时间间隔下，多次进行XRR测试，通过观察布拉格峰的强度变化来判断融合程度。如图2所示，距离镀制结束之后时间间隔越久，1级峰的强度就越小。从图2可以看出，3.5小时后，1级峰与镀制结束相比已经有了明显下降，说明融合已经开始进行，随着时间变化，1级峰的强度一直在下降。11.5小时后，图2中已经观察不到1级峰的存在，且反射率曲线已基本保持不变，说明此时自发融合已经基本结束。与传统设计制备的保护层相比，传统方式需要68天完成自发融合，而且从图3中也可以看出传统设计制备的保护层在24小时之后XRR曲线没有变化，融合几乎没有开始；而本实施例中铝镁的融合只持续了11.5小时。由此可见，本方法大大节省了自发融合时间。此外，在图2中还可以看出，在融合过程进行中，XRR曲线的全反射峰几乎没有发生变化，这说明了在自发融合的过程中，铝镁结构的密度几乎没有改变，这就意味着其致密程度与传统制备方式相比没有发生较大变化，继而说明了该快速制备方法同样具有较好的抗侵蚀效果。

实施例2

本实施例提供一种带有保护层的多层膜反射镜，结构参考图1所示，基底1为超光滑硅片，然后在其表面镀制镁/碳化硅极紫外多层膜2，接着再在多层膜表面利用如实施例1所述方法镀制铝镁混合保护层3，铝/镁多层结构中，由基底向上的第一层为镁膜层，最后一层为铝膜层。本实施例镀制的铝/镁多层结构中，铝膜层和镁膜层交替设置的膜对数为5对，镁膜层的厚度为2.37纳米，铝膜层的厚度为2.5纳米。此时，镁膜层的质量为一周期铝/镁膜层总质量的38％。

待保护层融合结束后在湿度为50％RH，温度为40℃的环境下进行保护性能测试，环境测试前后分别进行XRR测试来对比薄膜结构变化，结果如图4所示。从图中可以看出在该环境下放置24小时之后，反射镜的XRR测试曲线没有变化，表明薄膜结构完好无损，保护层具有良好的保护效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。